Vertikale, verspannte 1D Siliziumnanostrukturen und Bauteile

Ziel des Forschungsprojektes ist es, die fundamentalen elektrischen Eigenschaften von vertikalen 1D Silizium- Nanostrukturen und Bauelementen zu untersuchen. Der Umfang und die Vielschichtigkeit dieses Projektes erfordert die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Forschungsgruppen, die im Bereich der Herstellung von metallischen Nanotemplaten, dem Wachstum eindimensionaler Siliziumstrukturen sowie der Integration dieser Nanostrukturen in elektrische Bauelemente und der Untersuchung ihrer elektrischen und mechanischen Eigenschaften tätig sind. Im einzelnen sind dies das Max Planck Institut für Mikrostrukturphysik in Halle und das Institut für Festkörperphysik in Jena (beide D) (Wachstum der 1D Nansotrukturen und strukturelle Charakterisierung, Wafer bonding), das Institut für Materialuntersuchungen in Thun und das Institut für Nanostrukturuntersuchungen in Lausanne (beide CH) (in-situ REM Untersuchungen, elektronische und mechanische Charakterisierung von eindimensionalen (1D) Nanostrukturen unter dem Einfluß von mechanischen Spannungen) sowie das Institut für Festkörperelektronik (A) (Synthese der metallischen Nanotemplate, Integration der 1D Nanostrukturen in vertikale Bauelemente und deren elektrische Charakterisierung). Die Herstellung der 1D Si nanostrukturen erfolgt dabei im sogenannten vapor-liquid-solid Verfahren in CVD oder Molekularstrahlanlagen. Das Wachstum (Länge und Durchmesser) der vertikalen 1D Nanostrukturen wird dabei von metallischen Partikeln (Ga, Au, Al) mit einem Durchmesser von einigen wenigen Nanometern katalysiert. Die Herstellung dieser Metalltemplate erfolgt in unserem Projekt durch Ionenstrahlverfahren oder durch die Direktabscheidung aus der Gasphase mittels fokussierter Elektronen und Ionenenstrahlen. Ein neues, auf einer Waferbonding Technologie basierendes, selbstjustierendes Verfahren ermöglicht den Aufbau funktioneller Einheiten von vertikalen Nanosstrukturen und deren Integration in funktionelle Bauelemente wie pn- Dioden und in weiterer Folge auch vertikale Feldeffekttransistoren. Diese funktionellen Einheiten ermöglichen es darüber hinaus, den Einfluß von Verspannungen auf die elektrischen Eigenschaften der 1D Halbleiterstruktur als auch des fertigen Bauelemente zu untersuchen.

In den elektronischen Bauteilen der Zukunft werden nanometerdünne Drähte als Nachfolger der heutigen CMOS Transistoren gehandelt. Unter den eindimensionalen Nanostrukturen sind es vor allem epitaktisch gewachsene Si- Nanodrähte die aufgrund ihrer Kompatibilität mit vorhandener Halbleitertechnik, als vielversprechende Anwärter für aktive Elemente der Nanoelektronik gehandelt werden. Für die Herstellung dieser Nanodrähte haben aufgrund der Skalierbarkeit, Selbstorganisationsprozesse in zunehmendem Maße an Attraktivität gewonnen. Innerhalb dieses Projektes entwickelten wir eine solche Methode für die parallele Integration von vertikalen Si-Nanodrähten in sogenannte "gate all around" MOSFETs. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren werden die Nanodrähte bereits während der Synthese in einem selbstjustierten Prozess elektrisch kontaktiert. Für den Einsatz von Si- Nanodrähten in nanoskaligen Bauelementen war es wichtig, die geometrischen und vor allem die elektrischen Eigenschaften der Nanodrähte zu kontrollieren, die stark vom Durchmesser sowie der kristallographischen Orientierung und der Defektdichte der Nanodrähte abhängen. Unsere Technik wurde daher dahingehend ausgerichtet, einkristalline Si-Nanodrähte herzustellen und dabei die Position, die Länge und Dicke des Nanodrahtes als auch deren Wachstumsrichtung zu kontrollieren. Bei dem von uns eingesetzten VLS (engl. Vapor-liquid-solid) Verfahren wurden Gold Nannopartikel als Katalysatoren eingesetzt und Silan (SiH 4 ) als Precursorgas. Während die Kontrolle der Geometrie der Nanodrähte keine besondere Herausforderung darstellte, konnten wir zeigen, dass die Vorbehandlung der Substratoberfläche, entscheidend ist für das geordnete Wachstum der Nanodrähte. Wir konnten zeigen, dass eine dünne Oxidschicht auf dem Si-Substrat oder auf der Oberfläche des Katalysatorpartikels die Keimbildung und damit das Nanodrahtwachstum stark einschränkt. Weiters konnten wir zeigen, dass die Wachstumrichtung epitaktisch gewachsener Si-Nanodrähte vom Prozessdruck abhängig ist. Dadurch war es uns möglich durch Änderung des Druckes während der Synthese, in einem gut kontrollierbarem Verfahren geknickte Nanodrähte zu synthetisieren. Die Ergebnisse unserer ausführlichen und grundlegenden Untersuchungen der Nanodrahtsynthese ermöglichten uns letztendlich die Realisierung eines vertikalen Transistors durch die Integration eines Nanodrahtes in sogenannter "gate-all-around" Konfiguration. Diese von uns entwickelte Technik stellt eine sehr elegante Methode dar, Nanodrähte direkt in geordneten, funktionellen Modulen zu integrieren und sollte daher aufgrund der Skalierbarkeit auch als technologische Plattform etwa für die Sensorik von Interesse sein.